專利名稱：一種差動式光纖土壓計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及土木工程監(jiān)測技術領域，尤其涉及一種光纖土壓計，適用于埋入式的土壓力測量，如巖土工程、邊坡、大壩、路基等工程結構土壓力監(jiān)測。
背景技術：
土壓力作為反映土木工程結構穩(wěn)定性狀態(tài)的主要參數(shù)，對其進行實時監(jiān)測，不僅可以避免重大工程事故發(fā)生，而且可以為巖土工程結構的設計、防護以及理論研究提供可靠數(shù)據(jù)。因此，研制適合于巖土介質(zhì)環(huán)境的壓力傳感器具有重要意義。目前，應用于土壓力觀測的傳感器主要有振弦式、電阻應變式、差動電阻式、電感式和光纖式等。振弦式土壓計、電阻應變式土壓計、差動電阻式土壓計以及電感式土壓計等電學類傳感器在實際檢測過程存在長期穩(wěn)定性差、精度低、易受電磁侵擾、實時性以及組網(wǎng) 能力差等弊端。光纖土壓計與傳統(tǒng)的電學類土壓計相比，優(yōu)勢明顯靈敏度高、不受電磁干擾、復用簡單、可構成監(jiān)測網(wǎng)絡、實現(xiàn)多點同步監(jiān)測，更適合長期實時監(jiān)測。土壓計特殊的應用環(huán)境，通常需要將其埋入到巖土介質(zhì)中進行監(jiān)測。這對于土壓計的設計提出了嚴格要求。主要有1) 土壓計一般應為圓餅形；2)為了與土更好地接觸和傳遞土壓力，土壓計的徑厚比(直徑與厚度之比)一般應大于5 10。Chiachen Changa,王俊杰，Zhi Zhou等人分別報道了不同結構的光纖光柵土壓計。但是，這些光纖光柵土壓計都是將光纖光柵粘結在彈性敏感材料表面，當外界土壓力作用到介質(zhì)材料上時，彈性敏感材料發(fā)生彎曲變形，從而在其表面產(chǎn)生應變，帶動粘結在其上的光纖光柵的輸出波長發(fā)生變化，從而解調(diào)出土壓力信號。這些技術方案的不足之處有1)由于光纖光柵的柵區(qū)被直接粘結封裝，容易使光纖光柵產(chǎn)生啁啾；2)利用彎曲材料表面的變形產(chǎn)生應變，靈敏度低；3)光纖光柵的柵區(qū)被直接粘結封裝，由此帶來的傳感器的熱穩(wěn)定性較差，不適合在寬溫度變化范圍內(nèi)工作。李麗君等人報道了一種光纖光柵土壓力傳感器(ZL201010570760. 8)，采用菱形傳力結構技術方案，該方案在一定程度上提高了土壓力傳感器的靈敏度，但其不足之處有1)增加了傳感器的厚度，為了滿足徑厚比的要求，土壓力傳感器尺寸較大；2)該傳感器結構復雜，工藝難度大；3)該方案將光柵直接粘結在固定于菱形結構左、右角之間對角線的金屬彈性膜片上，因此沒有避免柵區(qū)與介質(zhì)材料直接接觸。胡志新等人(胡志新等，溫度補償式光纖光柵土壓力傳感器，應用光學，2010，31，
(I):110-113)提出了一種溫度補償式光纖光柵土壓力傳感器，選用有硬中心的平膜片作為彈性元件，通過平膜片上的兩個固定柱將土壓力轉化為光纖光柵的波長飄移，該方案解決了柵區(qū)直接封裝帶來的弊端；但不足之處有1)該方案僅僅利用膜片變形產(chǎn)生的轉角來進行增敏，沒有考慮膜片變形撓度的影響，靈敏低；2)硬心膜片的加工工藝復雜；3)僅僅利用了土壓計一側膜片的變形，沒有充分提高傳感器的靈敏度。因此，如何在保證徑厚比的條件下減小土壓計的體積，增大土壓計的靈敏度，簡化傳感器的結構和工藝，使光纖光柵土壓計更好的滿足巖土介質(zhì)監(jiān)測要求成為目前亟需解決的問題。本發(fā)明提出一種差動式光纖土壓計，用于土木工程領域邊坡、大壩等的土壓力監(jiān)測，重點解決土壓計體積、靈敏度、結構簡化以及封裝工藝等問題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種差動式光纖土壓計，以解決土壓計體積、靈敏度、結構簡化以及封裝工藝等問題。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種差動式光纖土壓計，該差動式光纖土壓計包 括壓力盒10，為中空的圓餅形結構；圓形的盒蓋20，設置于壓力盒10的上端，密封壓力盒10 ;設置于壓力盒10內(nèi)部第一支撐柱30和第二支撐柱31，二者與該差動式光纖土壓計對稱中心的距離相等；測量土壓力的光纖光柵40，安裝于第一支撐柱30及第二支撐柱31上；以及壓力盒10側壁上的光纖孔11，光纖光柵40的尾纖從該光纖孔11引出。上述方案中，所述第一支撐柱30的一端安裝于壓力盒10的底部,另一端固定有光纖光柵40,所述第二支撐柱31的一端安裝于壓力盒10的盒蓋20,另一端固定有光纖光柵40,所述光纖光柵40固定于第一支撐柱30的端部與第二支撐柱31的端部之間。上述方案中，所述第一支撐柱30固定光纖光柵40的端部、所述第二支撐柱31固定光纖光柵40的端部和該差動式光纖土壓計的對稱中心三者處于同一直線。上述方案中，假設第一支撐柱30與第二支撐柱31到該差動式光纖土壓計的對稱中心的距離為r，該差動式光纖土壓計的直徑與厚度之比為k，第一支撐柱30與第二支撐柱31的高度為m，三者的關系應滿足或近似滿足r2 = ((k2/4)-2)) Xm2。上述方案中，所述壓力盒10的底部為圓形，且該圓形底部的厚度與盒蓋20的厚度相同。上述方案中，該差動式光纖土壓計在壓力盒10內(nèi)還安裝一溫度補償光柵41，該溫度補償光柵41安裝于第一支撐柱30與第二支撐柱31外部光纖光柵40的尾纖上，處于松弛狀態(tài)，從而進行溫度補償。上述方案中，該差動式光纖土壓計通過壓力盒10和盒蓋20同時感受土壓力，并產(chǎn)生變形，從而形成差動式結構，提高了傳感器的靈敏度。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種差動式光纖土壓計，采用在兩個對稱安裝的支撐住端部安裝光纖光柵的方式，最大限度地利用了傳感器內(nèi)部空間，減小了土壓計的體積。2、本發(fā)明提供的這種差動式光纖土壓計，通過壓力盒和盒蓋同時感受土壓力，并產(chǎn)生變形，從而形成差動式結構，提高了傳感器的靈敏度；進一步地，通過優(yōu)化支撐住的高度和到土壓計中心的距離，最大限度地滿足了差動式增敏的條件，在土壓計體積、保證徑厚比一定的條件下達到了最好的增敏效果。3、本發(fā)明提供的這種差動式光纖土壓計，避免了硬心膜片、菱形增敏等等復雜的結構，僅僅采用平膜片和支撐柱進行增敏，簡化了傳感器結構和工藝。


圖I為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的俯視圖；圖3為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的尺寸示意圖。
具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。請參照圖I至圖3，圖I為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的示意圖，圖2為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的俯視圖，圖3為本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的尺寸示意圖。本發(fā)明提供的這種差動式光纖土壓計，包括壓力盒10，為中空的圓餅形結構，用于感受土壓力；圓形的盒蓋20，設置于壓力盒10的上端，密封壓力盒10，用于感受土壓力；設置于壓力盒10內(nèi)部第一支撐柱30和第二支撐柱31，二者與該差動式光纖土壓計對稱中心的距離相等，用于安裝光纖光柵40 ;用于測量土壓力的光纖光柵40，安裝于第一支撐柱30及第二支撐柱31上；以及壓力盒10側壁上的光纖孔11，光纖光柵40的尾纖從該光纖孔11引出。該差動式光纖土壓計通過壓力盒10和盒蓋20同時感受土壓力，并產(chǎn)生變形，從而形成差動式結構，提高了傳感器的靈敏度。其中，壓力盒10為一圓餅形結構，其圓形底部的厚度與盒蓋20的厚度相同。第一支撐柱30與第二支撐柱31分別安裝在壓力盒10與盒蓋20上，并且與差動式光纖土壓計的對稱中心處于同一直線，并且到差動式光纖土壓計對稱中心的距離相同。第一支撐柱30的一端安裝于壓力盒10的底部,另一端固定有光纖光柵40,第二支撐柱31的一端安裝于壓力盒10的盒蓋20,另一端固定有光纖光柵40,光纖光柵40固定于第一支撐柱30的端部與第二支撐柱31的端部之間。第一支撐柱30固定光纖光柵40的端部、所述第二支撐柱31固定光纖光柵40的端部和該差動式光纖土壓計的對稱中心三者處于同一直線。為了實現(xiàn)差動式增敏結構并且獲得最高靈敏度，假設第一支撐柱30與第二支撐柱31到該差動式光纖土壓計的對稱中心的距離為r，該差動式光纖土壓計的直徑與厚度之比為k,第一支撐柱30與第二支撐柱31的高度為m,三者的關系應滿足或近似滿足r2 =((k2/4)-2)) Xm20該差動式光纖土壓計在壓力盒10內(nèi)還安裝一溫度補償光柵41，該溫度補償光柵41安裝于第一支撐柱30與第二支撐柱31外部光纖光柵40的尾纖上,處于松弛狀態(tài),從而進行溫度補償。本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計的工作原理為，參考圖I、圖2、圖3，當差動式光纖土壓計埋入土中時，壓力盒10與盒蓋20與土層緊密結合，當土層壓力發(fā)生變化使壓力盒10與盒蓋20發(fā)生形變，并引起第一支撐柱30與第二支撐柱31的兩種位移，第一是由于壓力盒10與盒蓋20的變形撓度所引起的縱向位移，沿著盒蓋20的法線方向；第二是由于壓力盒10與盒蓋20的變形轉角所引起的第一支撐柱30與第二支撐柱31端部的位移，垂直于盒蓋20的法線方向。這兩種位移綜合作用的結果是光纖光柵40產(chǎn)生應變，通過測量光柵40的輸出波長發(fā)生變化即可得到土壓力大小。需要特別說明的是，土壓計的徑厚比(即直徑與厚度比)、第一支撐柱30與第二支撐柱31的長度、第一支撐柱30與第二支撐柱31到土壓計中心的距離當且僅當滿足一定關系時，才能使上述兩種位移產(chǎn)生最佳的作用效果從而在不改變土壓計體積的情況下提高土壓計的靈敏度，當壓力盒10的受壓膜片部分與盒蓋20的厚度相比于直徑可忽略(厚度與直徑之比小于O. 05)并且第一支撐柱30與第二支撐柱31到壓力盒10與盒蓋20之間的間隙較小也可忽略時，這一關系為r2 = ((k2/4) -2)) Xm2，其中r為第一支撐柱30與第二支撐柱31到土壓計中心的距離，k為徑厚比，m為第一支撐柱30與第二支撐柱31的高度。因此本發(fā)明提出的這種差動式光纖土壓計需滿足或近似滿足這一關系。例如，當k = 8, m = lcm, r = 3. 74cm, R = 4cm時,采用本發(fā)明提供的差動式光纖土壓計其靈敏度是不采用差動結構(如，胡志新等，溫度補償式光纖光柵土壓力傳感器，應·用光學，2010，31，(I) :110-113)的 2. 5 倍左右。此外，可以進一步在壓力盒10內(nèi)安裝一溫度補償光柵41，溫度補償光柵41位于第一支撐柱30與第二支撐柱31的外部，處于松弛狀態(tài)，從而進行溫度補償。需要說明的是，對于波長調(diào)制型光纖傳感器，敏感元件不限于光纖光柵，即光纖光柵40可被其它器件替換而取得相同效果，其它器件如光纖激光器、長周期光柵、啁啾光柵
坐寸ο以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種差動式光纖土壓計，其特征在于，該差動式光纖土壓計包括 壓力盒(10)，為中空的圓餅形結構； 圓形的盒蓋(20)，設置于壓力盒(10)的上端，密封壓力盒(10)； 設置于壓力盒(10)內(nèi)部第一支撐柱(30)和第二支撐柱(31)，二者與該差動式光纖土壓計對稱中心的距離相等； 測量土壓力的光纖光柵(40)，安裝于第一支撐柱(30)及第二支撐柱(31)上；以及 壓力盒(10)側壁上的光纖孔(11)，光纖光柵(40)的尾纖從該光纖孔(11)引出。
2.根據(jù)權利要求I所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，所述第一支撐柱(30)的一端安裝于壓力盒(10)的底部，另一端固定有光纖光柵(40)，所述第二支撐柱(31)的一端安裝于壓力盒(10)的盒蓋(20)，另一端固定有光纖光柵(40)，所述光纖光柵(40)固定于第一支撐柱(30)的端部與第二支撐柱(31)的端部之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，所述第一支撐柱(30)固定光纖光柵(40)的端部、所述第二支撐柱(31)固定光纖光柵(40)的端部和該差動式光纖土壓計的對稱中心三者處于同一直線。
4.根據(jù)權利要求I所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，假設第一支撐柱(30)與第二支撐柱(31)到該差動式光纖土壓計的對稱中心的距離為r，該差動式光纖土壓計的直徑與厚度之比為k，第一支撐柱(30)與第二支撐柱(31)的高度為m，三者的關系應滿足或近似滿足 r2= ((k2/4)-2))Xm2。
5.根據(jù)權利要求I所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，所述壓力盒(10)的底部為圓形，且該圓形底部的厚度與盒蓋(20)的厚度相同。
6.根據(jù)權利要求I所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，該差動式光纖土壓計在壓力盒(10)內(nèi)還安裝一溫度補償光柵(41)，該溫度補償光柵(41)安裝于第一支撐柱(30)與第二支撐柱(31)外部光纖光柵(40)的尾纖上，處于松弛狀態(tài)，從而進行溫度補償。
7.根據(jù)權利要求I所述的差動式光纖土壓計，其特征在于，該差動式光纖土壓計通過壓力盒(10)和盒蓋(20)同時感受土壓力，并產(chǎn)生變形，從而形成差動式結構，提高了傳感器的靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差動式光纖土壓計，該差動式光纖土壓計包括壓力盒(10)，為中空的圓餅形結構；圓形的盒蓋(20)，設置于壓力盒(10)的上端，密封壓力盒(10)；設置于壓力盒(10)內(nèi)部第一支撐柱(30)和第二支撐柱(31)，二者與該差動式光纖土壓計對稱中心的距離相等；測量土壓力的光纖光柵(40)，安裝于第一支撐柱(30)及第二支撐柱(31)上；以及壓力盒(10)側壁上的光纖孔(11)，光纖光柵(40)的尾纖從該光纖孔(11)引出。利用本發(fā)明，解決了土壓計體積、靈敏度、結構簡化以及封裝工藝等問題。
文檔編號G01L1/24GK102944342SQ201210461670
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權日2012年11月16日
發(fā)明者張文濤, 李芳 申請人:中國科學院半導體研究所